Reibungsminderung im Kolben system von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Friction Reduction in Power Cylinder Systems of Commercial Vehicle Engines
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Sonderdruck / Offprint aus / from MTZ 02|2019 Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Reibungsminderung im Kolbensystem von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Friction Reduction in Power Cylinder Systems of © Kolbenschmidt Commercial Vehicle Engines Aufgrund der US-Emissionsgesetzgebung zum Ausstoß von Treibhausgasen ab 2021 und 2024 sowie den Vorschlägen zur Einführung einer Euro-VII-Norm steigt für Hersteller von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren der Druck zur CO2-Redu- zierung. Die Effizienz der Motoren muss steigen, und die mechanischen Systeme sollen durch Reibungsminderung dazu beitragen. Neue Getriebeauslegungen zum Downspeeding des Motors erschweren diese Aufgabe. Das Kolbensystem – aus Kolben, Kolbenringen und Zylinderlaufbahn – nimmt in Bezug auf Verschleiß- beständigkeit und Reibungsreduzierung eine zentrale Rolle ein.
TITELTHEMA NUT ZFAHRZEUG ANTRIEBE
AUTOREN
AUSGANGSLAGE Optimierungstool erlaubt die Sicherstel-
lung der erforderlichen Dauerfestigkeit
Das Ziel zur Reduzierung der Rei- des Kolbendesigns und vermeidet wie-
bung führt direkt zum Kolbensystem derholte Konstruktionsschleifen.
(Power Cylinder System, PCS), das einen Im Vergleich zu dem Serienkolben
signifikanten Anteil der mechani- ist es mit dem Weldteks-Kolben möglich,
schen Verluste im Grundmotor erzeugt. die Kompressionshöhe um 17 mm zu ver- Wolfgang Hanke
Auch wenn diese Systeme bereits nied- ringern, wodurch sich eine Gewichtsredu- ist Technischer Senior Referent
rige Reibungsverluste aufweisen, ist zierung von 23 % ergibt. Der Gewichts- Kolbensysteme bei der KS Kolben-
schmidt GmbH in Neckarsulm.
eine weitere tribologische Optimierung vorteil des Kolbens lässt sich durch eine
möglich. Die Ring-Zylinder-Reibung Reduzierung der Motorblock-Höhe um
wird durch beschichtete Kolbenringe 17 mm weiter ausbauen.
mit einer diamantartigen Kohlenstoff-
schicht (Diamond Like Carbon, DLC)
REIBUNGSSIMULATION KOLBEN
in Verbindung mit einer glatten Zylin-
derober fläche reduziert. Ein kompak- Bei modernen Nutzfahrzeugmotoren
ter Kolben mit optimiertem Schaft- erhöht der Trend zum Downspeeding Dr. Naoki Iijima
ist Senior Engineer Functional
kontakt und einer reibungsarmen die Anforderungen bei der Auslegung Analysis bei der Riken Corporation
Schaftbeschichtung verringert die von reibungsminimierten Kolben durch in Kashiwazaki (Japan).
Kolbenreibung. Das System erreicht Finite-Elemente(FE)-Simulation. Um auch
ein Potenzial zur Reibungsminderung bei niedrigen Drehzahlen einen vollstän-
von bis zu 37 %. Neben der numeri- digen hydrodynamischen Druckaufbau
schen Optimierung wird als Neuheit am Kolbenschaft sicherzustellen, muss
die Reibkraft an einem Ein zylinder- die Kolbenfeinkontur sorgfältig auf das
Dieselmotor nach dem Floating-Liner- Kolbenkonzept abgestimmt werden. In
Prinzip gemessen. Der Messmotor Verbindung mit den Verformungen durch Jochen Müller
basiert auf einem 13-l-Motor mit einer die mechanische und thermische Belas- ist Leiter Bereich Entwicklung &
spezifischen Leistung von 30 kW/l. tung bestimmt die Bearbeitungskontur Technologie bei der KS Kolben-
schmidt GmbH in Neckarsulm.
Die Erprobung bezüglich Blow-by und die Ölfilmverteilung im Kontaktbereich
Ölverbrauch erfolgt im Vollmotor. zwischen Kolben und Zylinder. Eingebun-
den in einen Mehrkörpersystem-Algorith-
mus berücksichtigt das elasto-hydrody-
AUSLEGUNG KOLBEN
namische Kontaktmodell die Axialbewe-
Im Hinblick auf reduzierte Reibleistung gung des Kolbens im Zylinder sowie die
in Nutzfahrzeugmotoren bietet KS Kol- kurbelwinkelabhängige Belastung durch
Dr. Marco Voigt
benschmidt maßgeschneiderte Kolben- Gas- und Massenkräfte. Ergänzend zu
ist Technischer Referent Simulation
ausführungen an, um verschiedene Kun- diesen Effekten erfasst die Berechnung bei der KS Kolbenschmidt GmbH
denforderungen zu realisieren. Im vorlie- der Reibungsverluste den Einfluss der in Neckarsulm.
genden Fall kommt das Weldteks-Design Oberflächenrauheiten beim Übergang in
mit verkürzter Kompressionshöhe zur Mischreibungszustände.
Reibungsminderung zum Einsatz. Die Für den verbrauchsrelevanten Stra-
geringere Höhe verringert das Gewicht
des Kolbens, hat einen positiven Einfluss
auf die Seitenkräfte und reduziert im
Zusammenspiel mit einem verlängerten
Pleuel die Reibleistung im Motor. Durch
das kleinere, reibleistungsoptimierte
Ringpaket ist es möglich, die Abmessun-
gen des Ringfelds kompakt zu ge stalten, –
TABELLE 1.
Die Optimierung des Kolbendesigns
erfolgt durch numerische Simulation,
was zu ausgewogenen Deformationen
Serie Weldteks
am Kolben im motorischen Betrieb führt,
die wiederum reduzierte Reibung im Kompressionshöhe [mm] 82 65
Vergleich zu einem konventionellen Pleullänge [mm] 262 279
Design zur Folge haben. Des Weiteren Nuthöhen [mm] 3,0 / 2,5 / 3,0 2,5 / 2,0 / 3,0
wird das Schaftprofil numerisch auf
Gewicht [g] 3770 2908
geringste Kontaktdrücke und Reibung
optimiert. Das moderne numerische TABELLE 1 Kolbendesign für ein LF PCS, Modelljahr 2021 (© Kolbenschmidt)
2
ßenbetrieb bei 1025/min und 100 kW
Leitung wird der deutliche Reibungs-
vorteil mit dem reibungsarmen (Low
Friction, LF) Kolben in BILD 1 veran-
schaulicht. Der verbesserte hydrodyna-
mische Druckaufbau führt zu einem
Anstieg der Ölfilmdicke im Arbeitstakt
zwischen 360 und 540 °KW. In Verbin-
dung mit der kleineren ölbenetzten
Schaftfläche sinkt der kumulierte Reib-
mitteldruck von 3,1 kPa für den Serien-
kolben auf 2,0 kPa für den LF-Kolben,
das heißt um 35 %. Bei Nennleistung
hat der Gesamtvorteil mit dem LF-Kol-
benkonzept die gleiche Größenord-
nung, entsteht aber überwiegend durch
eine Absenkung der Mischreibungsver-
luste im Arbeitstakt bei hoher Seiten-
kraftbelastung. Die simulierte
Kraftstoffeinsparung liegt für unter-
schiedliche Betriebsbedingungen im BILD 1 Ölfilmverteilung und Reibmitteldruck für Serie und LF-Stahlkolben bei Straßenbetrieb (© Kolbenschmidt)
Bereich 0,11 bis 0,20 %. Hiermit besteht
eine gute Übereineinstimmung zu dem
beim OEM gemessenen Wert von 0,15 % – – Serie Low Friction
in einem typischen Nfz-Fahrzyklus.
Querschnitt
AUSLEGUNG KOLBENRINGE
Mit dem Ziel Reibung an der Lauffläche Ringtyp KBA IF KBA IF
Top-Ring
zu reduzieren, wird das reibungsarme
h1 × a1 [mm] 3,0 × 4,7 2,5 × 4,3
LF-Ringpaket unter Nutzung reduzier-
ter Ringhöhen, niedriger Tangential- Stoßspiel (s1) [mm] 0,37 0,35
kräfte und DLC-Beschichtung [1, 2] aus- Tangentialkraft (Ft) [N] 30,9 16,5
gelegt, TABELLE 2. Im Vergleich zur Serie Material Stahl Stahl
weist das LF-Ringpaket mit h1= 2,5
Laufflächenbeschichtung Chrom-Diamant, gekammert nitriert + DLC
und 2,0 mm niedrigere Ringhöhen am
Top-Ring und dem zweiten Ring auf,
was jeweils zu geringerer Gaskraft am Querschnitt
Innendurchmesser des Rings und zu
einer kleineren Kontaktfläche am Zylin-
Zweiter Ring
der führt. Die Ringhöhe des Ölabstreif- Ringtyp M IFU M IFU
rings ist unverändert, allerdings ist die h1 × a1 [mm] 2,5 × 4,7 2,0 × 4,1
wirksame Kontaktfläche durch die Stoßspiel (s1) [mm] 1,1 1,1
konisch gestalteten Stege deutlich ver-
Tangentialkraft (Ft) [N] 19,6 14,0
ringert. Dadurch wird die wirksame
Fläche für die Ölscherung kleiner und Material Guss Stahl
die hydrodynamische Reibkraft Laufflächenbeschichtung nitriert nitriert
reduziert.
Für das gesamte reibungsarme Ring-
Querschnitt
paket sinkt die Tangentialkraft um
33 %, wodurch sich die Ringreibung
reduziert. Wie in Abschnitt Erpro-
Dritter Ring
Ringtyp DSF SOR
bungsergebnisse Kolbensystem ausge-
h1 × a1 [mm] 3,0 × 2,95 3,0 × 2,5
führt, wird das Risi ko eines Ölver-
brauchsanstiegs durch zu niedrige Stoßspiel (s1) [mm] 0,5 0,45
Ringspannung erfolgreich im Vollmotor Tangentialkraft (Ft) [N] 32,5 25,0
abgesichert. Insgesamt wird durch die Material Guss Stahl
kleineren Ringquerschnitte auch das
Laufflächenbeschichtung Chrom-Diamant DLC
Formfüllvermögen der Kolbenringe
positiv beeinflusst. TABELLE 2 Design Kolbenringe (© Kolbenschmidt)
MTZ 02|2019 80. Jahrgang 3
TITELTHEMA NUT ZFAHRZEUG ANTRIEBE
Die Lauffläche von Topring und zusätzlichen Anforderungen hinsicht-
Ölabstreifring ist mit einer DLC-Schicht lich Verschleißbeständigkeit und Korro-
bewehrt. Aufgrund des niedrigen Reib- sion. Eine spiegelgehonte Oberfläche
koeffi zienten der DLC-Schicht sinkt mindert den Reibkoeffi zienten. Präfe-
die Reibkraft in der Mischreibung. rierte Laufpartner sind DLC-beschich-
Durch die hohe Verschleißbeständig- tete Kolbenringe, die nicht mit den
keit der DLC-Beschichtung behalten Legierungsbestandteilen mit der appli-
die Kolbenringe deutlich länger ihr zierten Rotating-Single-Wire-Beschich-
ursprüngliches Laufflächenprofi l als tung (RSW) auf der Zylinderoberfläche
die chrombasierte Serienlösung. Mit interagieren.
der laufzeitstabilen Kontur bleibt der BILD 2 zeigt eine Weißlicht-Interferro-
Vorteil der niedrigen Ringreibung metrie-Aufnahme der RSW-Zylinde-
auch über lange Laufzeiten erhalten. roberfläche, die erfolgreich bezüglich
Das LF-Ringpaket erfüllt somit die Ölverbrauch, Dauerhaltbarkeit und Rei-
Anforderungen von modernen Nutz- bungsminderung gemeinsam mit dem LF- BILD 2 Zylinderoberfläche:
fahrzeug-Dieselmotoren in Bezug auf Ringpaket aus TABELLE 2 erprobt wurde. RSW-Beschichtung mit Spiegelhonung
Robustheit und Verschleißbeständigkeit. © Kolbenschmidt)
REIBUNGSSIMULATION
KOLBENRINGE
AUSLEGUNG
ZYLINDEROBERFLÄCHE Vorbereitend mussten für die Simulation künftigen Getriebeübersetzung für
Randbedingungen für die neue Reibpaa- Downspeeding um 26,8 %. Bei Nenn-
Die Kombination glatt gestalteter rung DLC-beschichtete Ringe und spiegel- leistung nimmt die Ringreibung um
Reibpartner aus Kolbenringen mit gehonte RSW-Beschichtung erarbeitet 28,6 % beziehungsweise 37,6 % ab.
reibungsgünstiger Beschichtung und werden. Für die Reibkoeffizienten wur- Die Reibungsreduzierung unter den
Zylinderoberfläche für niedrige Ring- den Stribeck-Kurven auf einem Ring- betrachteten Betriebsbedingungen ist
Zylinder-Reibung ist von der Anwen- Zylinder-Tribometer gefahren und aus- hauptsächlich auf geringere Mischrei-
dung in Ottomotoren [3] bekannt. Für gewertet, für die Mikrohydrodynamik bung beim LF-Ringpaket zurückzu-
die Anwendung in Nutzfahrzeug-Die- wurden Flussfaktoren aus den Weißlicht- führen. Einflussfaktoren sind die klei-
selmotoren ist zusätzlich eine hohe Interferrometrieanalysen der Oberflä- neren Tangentialkräfte des reibungs-
Fress- und Verschleißbeständigkeit chen simuliert. Für die Reibungssimula- armen Ringsatzes und der niedrigere
erforderlich, des Weiteren kann Korro- tion wurde eine weiterentwickelte Ver- Reibkoeffizient in der Paarung DLC-
sionsbeständigkeit von Vorteil sein. Die sion von Kori3D verwendet. Schicht und RSW-Beschichtung. Zusätz-
thermische Spritzschicht von Kolben- Die Simulationsergebnisse der Rei- lich mindert die geringe Rauheit des
schmidt mit einem eisenbasierenden bungsreduktion des LF-Ringpakets RSW-Zylinders deutlich den Festkörper-
Draht erfüllt diese Anforderungen: Die im Vergleich zur Serie sind in BILD 3 kontakt bei Relativbewegung.
optimierte gleichmäßige Porenvertei- dargestellt. Bei einem repräsentativen Tendenziell erhöht sich die hydrody-
lung sorgt durch Ölhaltevolumina für Straßenbetriebspunkt und der derzei- namische Reibung zwischen LF-Ringpa-
niedrigen Verschleiß, Hartphasen und tigen Getriebeauslegung reduziert sich ket und RSW-Zylinder, da die niedrige
Legierungselemente reflektieren die die Ringreibung um 21,8 %, bei der Rauheit der glatten RSW-Oberfläche
einen dünneren Schmierfi lm zwischen
Ring und Zylinder zur Folge hat. Die
Reduzierung der benetzten Kontaktflä-
Nennleistung Straßenbetrieb
che des LF-Ringsatzes allerdings kom-
Getriebeübersetzung Getriebeübersetzung pensiert den Nachteil der hydrodynami-
Derzeitig Künftig Derzeitig Künftig schen Reibung wieder.
14
Downspeeding Hydrodynamik
12
Reibmitteldruck Kolbenringe [kPa]
Mischreibung ERPROBUNGSERGEBNISSE
-37,6 %
10 KOLBENSYSTEM
-28,6 %
Downspeeding
8 Die Funktionserprobung des reibungs-
-26,8 %
-21,8 %
armen Kolbensystems (LF PCS), bes-
6
tehend aus Weldteks-Kolben, DLC-
4 beschichteten LF-Kolbenringen und
RSW-Zylinder, erfolgte in einem Nutz-
2 fahrzeug-Dieselmotor des Modelljahrs
2015. Zum Ausgleich der kürzeren Kom-
0
Serie LF PCS Serie LF PCS Serie LF PCS Serie LF PCS pressionshöhe des Kolbens wurde ein
BILD 3 Ringreibung bei Nennleistung und Straßenbetrieb (© Kolbenschmidt) längeres Pleuel verwendet. BILD 4 zeigt
4
0,080 170 luste für die heutige Getriebeüberset-
zung bei den Betriebsbedingungen dar,
0,070 160 die beiden rechten Säulen jeweils für
Spezifischer Ölverbrauch [g/kWh]
Grenzwert die Downspeeding-Variante mit einer
0,060 150
150 auf die künftige US-Emissionsgesetz-
Blow-by [l/min]
0,050 140 gebung für Treibhausgase für 2021 aus-
Ölverbrauch 0,052
0,045 gelegten Getriebeübersetzung. Blau
0,040 130
steht für die Kolbenreibung, Rot für die
0,030 120 Ring-Zylinder-Reibung. Da die Serien-
Blow-by kolben bereits reibungsoptimiert waren,
0,020 110
111 wurde für eine weitere Verbesserung,
0,010 100 besonders mit Blick auf Downspeeding,
nur eine Optimierung des gesamten Kol-
0,000 90 bensystems als erfolgversprechend
Serie LF PCS
BILD 4 Ölverbrauch und Blow-by LF PCS im Vergleich zur Serienversion bei Serienbedingungen angesehen. Eine reduzierte Kon-
(© Kolbenschmidt) taktfläche des Kolbenschafts mit Nanof-
riks-Beschichtung und DLC-beschichtete
Kolbenringe werden mit einer sehr glat-
1000 ten Zylinderoberfläche kombiniert.
Beide Reibpaarungen reduzieren ihren
750 Reibungsanteil um mindestens 22 %.
Reibkraft [N]; Zylinderdruck [/10 bar]
Das LF PCS weist im Vergleich zur Serie
500
je nach Betriebsbedingung einen deut-
250 lich reduzierten Reibmitteldruck auf,
um 25 % bei derzeitiger Getriebeausle-
0 gung und Straßenbetrieb und um 36 %
bei künftiger Getriebeauslegung und
-250 Nennleistung. Im Straßenbetrieb liegt
Zylinderdruck der Reibungsvorteil bei mindestens
-500
25 %. Berücksichtigt man das Down-
PCS-Serie
-750
speeding in der Verlustleistungsbilanz,
LF PCS
verliert das LF PCS bei Straßenbetrieb
-1000 nur 148 W im Vergleich zu 234 W für
0 90 180 270 360 450 540 630 720 die Serie bei heutiger Getriebeüberset-
Kurbelwinkel [°KW] zung, was einem Vorteil von 37 %
BILD 5 Reibkraftmessung im Floating Liner bei 1000/min und 90 bar (© Kolbenschmidt) entspricht. Der LF-Kolben weist hier nur
geringfügige Mischreibungsverluste auf.
Um die gleiche Leistungsabgabe bei
niedrigerer Motordrehzahl (Downspee-
Ölverbrauch und Blow-by mit gemein- Die Reibkraftverläufe über dem ding bei künftiger Getriebeübersetzung)
samer Grenzwertlinie für das LF PCS Arbeitsspiel von Serie und LF PCS zu erreichen, sind höhere Spitzendrü-
und die Serienausführung. Beide Aus- sind in BILD 5 im Straßenbetrieb bei cke im Zylinder nötig. Diese vergrößern
führungen sind gut im Ölverbrauch, 1000/min und 90 bar Spitzendruck den Mischreibungsanteil, wie in den
die Durchblasemenge der Serienbestü- dargestellt. Der Vorteil des LF PCS ist in Tor tendiagrammen in BILD 6 zu erken-
ckung wurde deutlich durch das LF PCS allen Phasen des Arbeitsspiels zu erken- nen. Das LF PCS überkompensiert den
verbessert. nen, besonders ausgeprägt in Kompressi- Anstieg der Mischreibung im Serien-PCS
Für die Messung der Reibkräfte ons- und Expansionsphase. Hier bewir- bei Downspeeding.
des Kolbensystems steht bei Kolben- ken die reduzierten Kontaktflächen in Die prognostizierte CO2-Reduzierung
schmidt ein Einzylinder- Dieselmotor zur Kombination mit den niedrigen Reibko- des LF PCS gegenüber der Serie zeigt
Verfügung, der nach dem Floating-Liner- effizienten kleinere Reibkräfte, die zu BILD 7: Bei Nennleistung beträgt der CO2-
Prinzip arbeitet. Der Zylinder des Mess- kleinerem Reibmitteldruck pmr führen. Vorteil 0,27 % und 0,40 %, bei Straßen-
motors wird von vier Kraftaufnehmern in betrieb 0,33 % und 0,38 %.
axialer Richtung gehalten, die axiale
Kraftkomponente des Zylinderdrucks ist REIBUNG IM KOLBENSYSTEM
ZUSAMMENFASSUNG
am oberen Ende über einen Kompensa-
tionseinzug nach Furuhama [3, 4] aus- Die Komponentenreibung ist als Die Minderung des Kraftstoffverbrauchs
geglichen. Die Zylinderoberfläche kann Reibmitteldruck pmr in BILD 6 für die durch Verbesserung des Reibverhaltens
mit Wechseleinsätzen in der gewünschten Betriebsbedingungen Nennleistung des Kolbensystems ist eine Herausfor-
Legierung, Beschichtung und Ober- und Straßenbetrieb dargestellt. Die bei- derung, besonders unter Berücksich-
flächenkonfiguration geändert werden. den linken Säulen stellen die Reibver- tigung des Downspeedings künftiger
MTZ 02|2019 80. Jahrgang 5TITELTHEMA NUT ZFAHRZEUG ANTRIEBE
Nennleistung Straßenbetrieb
Getriebeübersetzung Getriebeübersetzung
Derzeitig Künftig Derzeitig Künftig
30
Downspeeding
pmr. Ringe
25
pmr. Kolben
-36 %
Reibmitteldruck PCS [kPa]
20
-28 %
15
Downspeeding
-29 %
10
-25 %
BILD 6 Reibmitteldruck
5
und Mischreibungsan-
teil des Kolbensystems
0 (© Kolbenschmidt)
Serie LF PCS Serie LF PCS Serie LF PCS Serie LF PCS
Mischreibung
Hydrodynamik
Nennleistung Straßenbetrieb
Getriebeübersetzung Getriebeübersetzung
Derzeitig Künftig Derzeitig Künftig
0,00 BILD 7 CO2-Reduzierung
LITERATURHINWEISE
[1] Iijima, N.; Susuda, M.; Iwata, Y.;
durch LF PCS
-0,10 Usui, M.; Utashiro, K.: Effect of Peripheral
(© Kolbenschmidt)
Configuration of Piston Rings for Friction
Force and Oil Con sumption. In: JSAE paper
-0,20 20145343, 2014
∆CO2 [%]
-0,27 [2] Higuchi, T.; Mabuchi, Y.; Ichihara, H.;
-0,30 -0,33 Murata, T.; Moronuki, M.: Development of
Hydrogen Free DLC Coating for Piston Ring:
-0,40 -0,38
In: JSAE paper 20115707, 2011
-0,40
[3] Hanke, W.; Fahr, M.; Rehl, A.; Voigt, M.;
Ando, H.: Friction Reduction in Power Cylinder
-0,50 Systems for Downsize Gasoline Engines with
Modern Surface Technologies of Aluminum
-0,60 Crankcases. In: SAE 2012-01-1332, 2012
[4] Hanke, W.; Ando, H.; Fahr, M.; Voigt, M.:
Reibungsreduzierung im Kolbensystem
bei Pkw-Dieselmotoren. In: MTZ 75 (2014),
Nr. 2, S. 44-51
Motorauslegungen. Der Schlüssel an Kolbenschaft (Nanofriks), Ringlauf-
zum Erfolg sind der Systemansatz fläche (Riken DLC) und Zylinderober-
und die Nutzung der effektivsten fläche (spiegelgehontes RSW) einen
Maßnahmen zur Reibungsminderung
unter Verwendung zeitgemäßer Simu-
Reibungsvorteil von 37 % erreicht.
Die Reibungsminderung im Motor-
DANKE
lationsmethoden zur Optimierung betrieb wurde mit einem hauseigenen Wir danken Ingo Roth für die Unterstützung durch
und Synthese des Systems. Einzylinder-Messmotor für Nutzfahr- die Entwicklungsabteilung Kolbensysteme HD &
Kolbenschmidt und Riken haben zeuge belegt, der nach dem Floating- MIR und seinen Beitrag zu dieser Veröffentlichung,
trotz Downspeeding mit einer reibungs- Liner-Prinzip arbeitet. Erprobungen Kenichi Utashiro für die Reibungsoptimierung des
optimierten Kolben- und Ringausle- im Vollmotor haben ein gutes Ergebnis LF-Ringpakets, Dr. Serkan Demiray für die Rei-
gung und durch Nutzung neuester bezüglich Ölverbrauch und Blow-by bungssimulation und Jochen Schumacher für die
reibungsmindernder Beschichtungen nachgewiesen. Messungen am Floating-Liner-Motor.
6Friction Reduction in Power Cylinder Systems of © Kolbenschmidt Commercial Vehicle Engines Due to US emissions legislation on greenhouse gas emissions for 2021 and 2024 and proposals for inventing a Euro-VII standard, the pressure on commercial vehicle engine manufacturers to reduce CO2 emissions is increasing significantly. The efficiency of the engines has to be improved and the mechanical systems are addressed to reduce the related frictional losses. The trend toward new gear ratios for downspeeding of the engines makes this more difficult. The power cylinder system – consisting of piston rings, pistons and cylinder surface – plays a central role in terms of wear resistance and friction reduction. MTZworldwide 02|2019 7
C OVER STORY C OMMERCIAL V EHICL E DRIV ES
AUTHORS
STARTING POINT leads to a weight reduction of 23 %.
The weight advantage from the low
The target of friction reduction leads friction piston can be improved fur-
directly to the Power Cylinder Sys- ther by reducing the engine block
tem (PCS), which accounts for a sig- height by the same 17 mm.
nificant amount of friction in the
base engine. Even if these systems Wolfgang Hanke
PISTON FRICTION SIMULATION
are already low in frictional losses, is Senior Technical Specialist Piston
a further tribological optimization The trend of modern commercial vehi- Systems at KS Kolbenschmidt
GmbH in Neckarsulm (Germany).
in regard to lower friction is possi- cle engines toward downspeeding
ble. Diamond-like Carbon (DLC) increases the requirements in the low
ring coatings in combination with friction layout of pistons by Finite Ele-
a smooth cylinder surface reduce the ment (FE) simulation. To ensure a
ring to cylinder friction. A compact robust hydrodynamic pressure build-up
piston with optimized skirt to cylinder at the piston skirt even at low engine
contact and low friction skirt coating speeds
lowers piston friction. The system the piston profi le must be carefully Dr. Naoki Iijima
is Senior Engineer Functional
shows a friction reduction potential adjusted to the design. In conjunction Analysis at Riken Corporation
of up to 37 %. As a novelty for a com- with the deformations due to mechani- in Kashiwazaki (Japan).
mercial vehicle diesel engine, friction cal and thermal load the machining
forces are analyzed using a single-cylin- shape of the piston skirt determines
der research engine with floating liner the oil fi lm distribution at the inter-
principle based on a heavy duty 13-l face between piston and cylinder. Inte-
engine with a specific power of 30 kW/l. grated into a superior multibody sys-
Tests on blow-by and oil consumption tem the elasto-hydrodynamic contact
are conducted on the complete engine. model considers the axial motion of Jochen Müller
the piston relative to the cylinder and is Vice President Development &
the crank angle-related loading by gas Technology at KS Kolbenschmidt
GmbH in Neckarsulm (Germany).
PISTON DESIGN and mass forces. In addition to these
effects the computation of the fric-
For reduced friction losses in truck appli- tional power loss takes into account
cations, KS Kolbenschmidt is able to the roughness characteristics for the
offer tailor-made piston designs in order transition into mixed lubrication.
to address different customer needs. In For the fuel consumption-relevant
this case the Weldteks design was used road load condition at 1025 rpm and
Dr. Marco Voigt
with a shortened compression height and 100 kW power the significant friction
is Technical Officer Simulation
friction optimized design. The reduced advantage of the Low Friction (LF) KS Kolbenschmidt GmbH
height results in a lower piston weight, piston is illustrated in FIGURE 1. The in Neckarsulm (Germany).
has a positive impact on the skirt loads improved hydrodynamic pressure
and leads to less friction losses when build-up leads to an increase of the
combined with a longer conrod. The oil fi lm thickness in the power stroke
smaller dimensions of the low friction
ring pack enable the design of a compact
ring zone, TABLE 1.
The optimization of the piston design
was carried out by numerical simulation,
which leads to balanced deformations
of the piston during engine operation,
which in turn leads to reduced friction –
compared to a conventional design.
In addition, the skirt profile was numeri-
cally optimized for minimum contact
pressure and friction. Furthermore this
Series Weldteks
modern simulation tool leads to a design
with reliable fatigue factors without hav- Compression height [mm] 82 65
ing to go through many design iterations. Conrod length [mm] 262 279
In comparison to the series produc- Ring grooves [mm] 3.0 / 2.5 / 3.0 2.5 / 2.0 / 3.0
tion piston it was possible to decrease
Weight [g] 3770 2908
the compression height by 17 mm
using the Weldteks design, which TABLE 1 Piston design for LF PCS model year 2021 (© Kolbenschmidt)
8between 360 and 540 °CA. In connec-
tion with the minimized area of the
oil-wetted piston skirt the accumu-
lated frictional mean effective pressure
decreases from 3.1 kPa for the serial pis-
ton to 2.0 kPa for the LF piston, that is
by 35 %. At nominal rate conditions the
overall advantage with the LF piston
design is of the same order of magni-
tude but is mainly caused by a lowering
of boundary friction in power cycles
with large lateral force loads. The simu-
lated reduction of the brake-specific fuel
consumption is in the range of 0.11 to
0.20 % for several load conditions. This
is in good correlation to the value of
0.15 % in a typical commercial vehicle
driving cycle measured by an OEM.
RING DESIGN FIGURE 1 Oil film distribution and FMEP for Series and LF steel piston at road load conditions (© Kolbenschmidt)
In order to reduce ring friction force in
the outer periphery, the LF ring package – – Series LF
was designed with a reduced axial width,
lower tangential tension and DLC coating
Cross section
[1, 2], TABLE 2. In relation to series, the
LF ring set has lower widths of top and
second ring, h1 = 2.5 and 2.0 mm. The Ring type KBA IF KBA IF
Top ring
load on the ring back side and the sliding
h1 × a1 [mm] 3.0 × 4.7 2.5 × 4.3
surface are smaller having a smaller ring
width. The height of the oil control ring Gap (s1) [mm] 0.37 0.35
is unchanged, but the effective contact Tangential tension (Ft) [N] 30.9 16.5
surface is reduced by the conically Material Stainless steel Stainless steel
designed ring lands. Therefore, the area
OD surface treatment Inlaid chrome diamond Nitriding + DLC
for oil shear stress is smaller, and the
hydrodynamic friction force is reduced.
When ring tension is lower, the ring Cross section
friction is reduced. In this low friction
ring package, the total ring tangential
Second ring
tension is reduced by 33 %. As a conse- Ring type M IFU M IFU
quence of lower ring tension, increased h1 × a1 [mm] 2.5 × 4.7 2.0 × 4.1
oil consumption is a risk, however the Gap (s1) [mm] 1.1 1.1
LF ring package was successfully tested
Tangential tension (Ft) [N] 19.6 14.0
in the engine (see section Engine Test
Results Piston Cylinder System). Further- Material Cast iron Stainless steel
more, the ring conformability for cylin- OD surface treatment Nitriding Nitriding
der bore distortion is better having a
smaller ring cross section.
Cross section
A DLC coating was applied to the run-
ning surface of top ring and oil control
ring. The friction coefficient of the DLC Ring type DSF SOR
Third ring
coating is lower, and the friction force is
h1 × a1 [mm] 3.0 × 2.95 3.0 × 2.5
reduced in boundary lubrication condi-
tion. Furthermore, the wear resistance of Gap (s1) [mm] 0.5 0.45
the DLC coating is better than the series Tangential tension (Ft) [N] 32.5 25.0
surface solutions (chromium-based). The Material Cast iron Carbon steel
ring profile remains unchanged for a long
OD surface treatment Chrome diamond DLC
running time, and so lower ring friction
is ensured over its lifetime. The LF ring TABLE 2 Piston ring design (© Kolbenschmidt)
MTZ worldwide 02|2019 9C OVER STORY C OMMERCIAL V EHICL E DRIV ES
package fulfills the robustness and RING FRICTION SIMULATION
wear resistance requirements for a
modern truck engine. Prior to simulation, boundary condi-
tions for the new interface of DLC-coated
rings and the smooth RSW cylinder
CYLINDER SURFACE FINISH
surface had to be generated. For the
A smooth interface combination of friction coefficients, Stribeck curves
piston rings with low friction coating were evaluated from a ring-cylinder tri-
and cylinder surface enables low ring botester; for the micro-hydrodynamics,
to cylinder friction as known from serial flow factors were simulated from a
applications in gasoline engines [3]. white light interferometry surface char-
The application in commercial vehicle acterization. For the friction simulation
diesel engines requires in addition a a modified version of Kori3D was used.
high resistance to scuff and wear; fur- The simulation results on friction
thermore corrosion resistance would be reduction of the LF ring package in rela- FIGURE 2 Cylinder surface finish:
beneficial. Kolbenschmidt’s steel-based tion to series are displayed in FIGURE 3. RSW spray coating with mirror hone (© Kolbenschmidt)
wire spray coating technology fulfills In a representative road load engine
these requirements: Pores are distributed operating condition, the ring friction is
evenly over the liner surface, serving reduced by 21.8 % for serial operation
as oil retention volumes for lubrication. and 26.8 % at future gear ratio for thickness between ring and liner,
Optional hard phases and alloy ele- downspeeding operation. For rated which leads to increased hydrodynamic
ments in the coating enable high wear power, friction is reduced by 28.6 %, friction. This is however compensated
and corrosion resistance. The cylinder respectively 37.6 %. The lower friction by the smaller wetted sliding surface of
is honed to a very smooth mirror-like in these operating conditions is mainly the LF ring package.
surface to achieve the lowest friction achieved by the reduction of boundary
coefficients. Preferred interface partners friction in the LF ring package. Factors
ENGINE TEST RESULTS
are DLC-coated rings, which do not are the reduced ring tension of the LF
PISTON CYLINDER SYSTEM
interact with the alloy compositions of ring package and the lower friction
the applied Rotating Single Wire (RSW) coefficient of the interface DLC coating The functional analysis of the low
spray coating of the cylinder. FIGURE 2 to the smooth RSW surface. friction piston cylinder system (LF PCS)
shows a white light interferometry image Furthermore the smooth liner surface consisting of Weldteks piston,
of the liner surface, which was success- strongly reduces the asperity contact DLC-coated rings and RSW cylinder,
fully tested for oil consumption, durabil- at relative motion. was conducted in a commercial vehicle
ity and friction reduction with the LF The low roughness of the smooth diesel engine, model year 2015. For
ring set from TABLE 2. RSW liner surface reduces the oil fi lm compensation of the reduced piston
compression height, a longer conrod
was applied.
FIGURE 4 shows the oil consumption and
blow-by of the LF PCS and of the serial
confi gu ration, displayed with a com-
mon target line. Both confi gurations are
within the oil consumption target, the
Rated power Road load operation blow-by of the series confi guration was
Gear ratio Gear ratio significantly improved by the LF PCS.
Current Future Current Future For the measurement of PCS friction
14
forces, a single-cylinder diesel engine
Downspeeding Hydrodynamic
12 with floating liner is available at Kol-
Boundary
benschmidt. The cylinder of the mea-
-37.6 %
10 surement engine is supported by four
-28.6 %
Ring FMEP [kPa]
Downspeeding force transducers in axial direction, the
8
related component of the cylinder pres-
-26.8 %
-21.8 %
6 sure is balanced by a bottleneck confi g-
uration at the upper cylinder end
4 according to the Furuhama principle
[3, 4]. The cylinder surface can be
2
exchanged using sleeves with the
0
intended alloy, coating and
Series LF PCS Series LF PCS Series LF PCS Series LF PCS surface fi nishing.
FIGURE 5 shows the friction forces of
FIGURE 3 Ring friction at rated power and road load conditions (© Kolbenschmidt) series and LF PCS over the engine cycle
100.080 170 in FIGURE 6. The LF PCS overcompen-
sates the increase of boundary friction
0.070 160
of the series PCS for downspeeding.
Specific oil consumption [g/kWh]
Target
0.060 150 The predicted CO2 reduction using
150 LF PCS is shown in FIGURE 7: at rated
Blow-by [l/min]
0.050 140
LOC 0.052 power, the CO2 advantage is between
0.040 0.045 130 0.27 and 0.40 %, at road load operation
between 0.33 and 0.38 %.
0.030 120
Blow-by
0.020 110 CONCLUSIONS
111
0.010 100 Effectively reducing fuel consumption
by improved friction behavior of the
0.000 90
Series LF PCS piston system despite the additional
impact of the trend toward down-
FIGURE 4 Oil consumption and blow-by LF PCS compared to series at series conditions speeding is a major challenge. The
(© Kolbenschmidt) key to success is utilizing the most
effective friction reduction measures
in a system interface approach and
using state-of-the-art simulation tools
to combine and optimize the system.
for road load operation at 1000 rpm and 36 % at future gear ratio and rated Kolbenschmidt and Riken have
90 bar peak pressure. The advantage power condition. At road load achieved a 37 % friction reduction
of LF PCS is evident in all phases of conditions, the friction advantage despite downspeeding with a friction-
the working cycle, especially during is at least 25 %. Changing the focus optimized design of piston and ring
compression and expansion. Here the to total power loss and considering pack, utilizing the latest low-friction
reduced contact surfaces, in combina- downspeeding, the power loss of the coatings on piston skirt (Nanofriks),
tion with the low friction coefficients LF PCS reaches 148 W at road load ring bearing surface (Riken DLC) and
show a reduced friction force, which conditions in relation to 234 W for liner (RSW coating, smooth mirror
results in lower Friction Mean Effec- series, which is an improvement of honed). Friction reduction in engine
tive Pressure (FMEP). up to 37 % at road load. The boundary running conditions was proven in
friction of the piston was reduced measurements in Kolbenschmidt’s
to a marginal level. in-house commercial vehicle sin-
FRICTION IN PCS To achieve a comparable power gle-cylinder floating liner engine.
output at lower engine speed, higher Complete engine testing has also
For rated power and for a representa- peak cylinder pressures are needed. confirmed good oil consumption
tive operation point for road load, This increases the ratio of boundary and blow-by values under operating
the individual friction results are dis- friction as displayed in the pie charts conditions.
played as FMEP in FIGURE 6. The left
bars visualize the friction losses for the
current gearbox configuration in road
operating conditions, the right bars for 1000
downspeeding with a revised gearbox
Friction force [N]; cylinder pressure [/10 bar]
adapted to the US emissions regulation 750
for greenhouse gases for 2021. Blue rep-
500
resents the piston friction, red the ring
to cylinder friction. The serial piston is
250
already friction-optimized, so a further
improvement considering the impact of 0
downspeeding was only possible with
a piston system concept optimization. -250
A reduced piston contact area with
Cylinder pressure
Nanofriks coating and a DLC coating -500
Series PCS
on the control rings were combined
-750 LF PCS
with a very smooth cylinder surface.
Each interface friction was reduced by -1000
at least 22 % individually. Compared to 0 90 180 270 360 450 540 630 720
series, the FMEP of the LF PCS was Crank angle [°CA]
reduced significantly, by 25 % at the
current gear ratio and road load and FIGURE 5 Friction force measurement in floating liner at 1000 rpm and 90 bar (© Kolbenschmidt)
MTZ worldwide 02|2019 11C OVER STORY C OMMERCIAL V EHICL E DRIV ES
Rated power Road load operation
Gear ratio Gear ratio
Current Future Current Future
30
Downspeeding
FMEPRings
25
FMEPPiston
-36 %
20
-28 %
FMEP [kPa]
15
Downspeeding
-29 %
10
-25 %
FIGURE 6 FMEP and
5
boundary friction
shares of PCS
0 (© Kolbenschmidt)
Series LF PCS Series LF PCS Series LF PCS Series LF PCS
Boundary
Hydrodynamic
Rated power Road load operation
Gear ratio Gear ratio
Current Future Current Future
0.00
-0.10
-0.20
∆CO2 [%]
-0.27
-0.30 -0.33
-0.40 -0.38
-0.40
-0.50
-0.60
FIGURE 7 CO2 reduction of LF PCS (© Kolbenschmidt)
ACKNOWLEDGEMENTS
[3] Hanke, W.; Fahr, M.; Rehl, A.; Voigt, M.;
REFERENCES Ando, H.: Friction Reduction in Power Cylinder
[1] Iijima, N.; Susuda, M.; Iwata, Y.; Usui, M.; Utashiro, Systems for Downsize Gasoline Engines with
K.: Effect of Peripheral Configuration of Piston Rings Modern Surface Technologies of Aluminum We thank Mr. Ingo Roth for his piston design depart-
for Friction Force and Oil Consumption. Crankcases. ment support and his contribution to this article, Mr.
In: JSAE paper 20145343, 2014 In: SAE 2012-01-1332, 2012
Kenichi Utashiro for the friction optimization of the
[2] Higuchi, T.; Mabuchi, Y.; Ichihara, H.; [4] Hanke, W.; Ando, H.; Fahr, M.; Voigt, M.:
Friction Reduction in Power Cylinder Systems for LF ring package, Dr. Serkan Demiray for dynamic
Murata, T.; Moronuki, M.: Development of
Hydrogen Free DLC Coating for Piston Ring. Passenger Car Diesel Engines. simulations and Mr. Jochen Schumacher for the
In: JSAE paper 20115707, 2011 In: MTZworldwide (2014), No. 2, pp. 26-31 floating liner measurements.
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